医学辐射防护基础final.ppt
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1、医学辐射防护基础侯桂华山东大学医学院实验核医学研究所88382096第一部分 核物理基础什么是放射?原子的结构 一、原子核结构 质子 protons(p+)其电量与电子的电量相等,质量 1.6725 10-24g 中子 neutrons(n)不带电,质量 1.6747 10-24g 质子数和中子数之和为原子核的质量数。原子结构X 元素的化学符号,A-原子核的质量数,=质子数中子数Z-质子数=原子序数由于元素符号本身已经表示出原子序数,因此左下方标记常常省去。二、原子核的稳定性 原子核中的质子之间存在着库仑斥力,究竟是什麽力使这些核子能组成完整的原子核呢?核力:原子核核子之间一种特殊的引力。核力
2、是一种近程力,在 10-15 m 时,核力远比库仑斥力为小,而在 10-15 m 时,核力比库仑斥力的增加更为迅速,以至于只有最邻近的核子之间核力才占首要地位。三、核能级核能级的基态:原子核由于核子的不断运动而具有一定的能量。一般状况下,原子核都处于最低状态,此时,核稳定,不会发生核结构的改变。核能级的激发态:由于质中比不合适,核能级较高,处于不稳定状态,要经过核结构的改变,释放出相应的核子与能量,使核处于基态。四、核外电子结构核外电子沿着“一定”的轨道,围绕原子核运动,这些电子分布在不同的壳层上,若干轨道组成一个壳层,由内向外,依次为K,L,M,N层,核外电子壳层容纳电子数有限,2 n2 个
3、。电子具有一定的能量,距核越远,位能越高,在外力的作用下,内层电子可以跳至外层.能级升高,称为激发态。若获能较大,则可以脱离原子核的束缚,离开原子成为自由电子,而原子本身成为带正电荷的离子,称为电离,外层电子若返回内层,则称为退激,多余能量以射线方式释放。几个概念核素:Nuclide 凡原子核内质子数、中子数和能量状态均相同的一类原子。元素:凡核内质子数相同的一类原子称为一种元素。每种元素可以包括若干种核素。同位素:Isotope 具有相同的质子数的核素,由于属于同一种元素,在元素周期表上处于同一位置,故称为该元素的同位素或彼此是同位素。例如:11C,12C,13C,14C均是碳的同位素 同质
4、异能素:有相同的质子数、中子数、但是能量状态不同的一类元素。是一种特殊的同位素。例如:99mTc是 99Tc的激发态 Metastable 亚稳态放射性核素和核衰变1稳定核素 Stable Nuclide 不会自发地发生核内成分或核能级变化,或者发生的几率非常小。2.放射性核素 Radioactive Nuclide 核不稳定,容易自发地发生核内成分或能态的改变而转变成另外一种核素,同时释放出一种或一种以上的射线。为什么一些核素具有放射性?中子和质子的比例质子数 中子数富质子的核富中子的核放射性核衰变 放射性核素自发发生核能态及核内成分改变而转变成另一种核素,同时释放出一种或一种以上的射线,这
5、种变化过程称为放射性核衰变简称核衰变。放射性衰变机制 1.衰变射线特点:1.单能谱2.质量大,射程短,穿透力弱 3.质量大,速度慢,荷电量多,电离本领大。2.-衰变特点:质量轻,速度快连续能谱 能量分布从零到最大穿透力强,电离能力弱,可被铝箔和人体所吸收3.衰变只有人工放射性核素才可发生 衰变。粒子存在时间极短,当被物质阻挡失去动能时,将和物质中的自由电子结合转化成光子.粒子全部动能损失后,与周围物质中的自由负电子结合,转变成两个方向相反,而能量相等,均为0.511MeV的 光子,此称为正电子湮没辐射。4电子俘获衰变 EC Decay 如果核内中子数相对过少,而又没有足够能量(1.02MeV)
6、,则从核外靠近内层的(K层)的电子轨道上俘获一个电子 较高能级的壳层电子可以跃迁到该位置上,多余的能量以光子形式放出,称为标识X线,也可以将多余的能量传给更外层的电子使其成为自由电子放出,此自由电子称为俄歇电子(auger electron),标识X线和俄歇电子能量较低,KeV 级,能量是定值,又称次级辐射。5.跃迁半衰期 half-life物理半衰期 T1/2:在单一放射性核素衰变过程中,放射性活度降至原有值一半所需要的时间。半衰期衰变规律:A=A0e-t*放 射 性 活 度 的 单 位 是 贝 可 勒 尔(Bq,Becquerel),简称贝可 国际单位制1Bq表示放射性核素在1秒钟内发生1
7、次衰变。1Bq1dps,kBq,MBq,GBq,TBq,1Ci(居里)=3.71010dps1uCi=每秒钟发生3万7千次衰变 核物理中的能量单位是电子伏特 eV,1电子伏特是指电压为1伏特的两点间移动一个电子时电场力所做的功。常用 KeV,MeV射线如何与物质相互作用?电离辐射能量以电磁波或粒子形式从原子或原子核内发射出来电离辐射形式粒子辐射电磁辐射由携带以动能形式能量运动的原子和亚原子组成(电子,质子等)能量以电场和磁场的形式携带,以光速穿过空间直接电离间接电离一、带电粒子与物质的相互作用1电离与激发 带电粒子与物质的核外电子发生静电作用,入射粒子可将本身动能分次传递给轨道电子。如果轨道电
8、子获得的能量足已脱离原子,则成为自由电子,而失去核外电子的原子带正电荷,两 者 组 成 一 个 离 子 对。这 一 过 程 为 电 离。Ionization 如果核外电子所获射线动能不足以使之成为自由电子,只是由内层跃迁到外层,从低能层跃迁到高能层,使整个原子处于能量较高的激发态,则称为激发。ExcitationIonizationExcitation特殊电离和线能量传递(LET)2弹性散射带电粒子通过物质时,因为受到原子核库仑电场作用,而改变本身运动方向,但是带电粒子与原子核在相互作用前后总动能保持不变,称为弹性散射或弹性碰撞。粒子质量大,散射不明显,粒子轻,易散射,给探测防护带来一定困难。
9、3韧致辐射 Bremsstrahlung 高速运动的带电粒子经过原子核附近时,受到原子核库仑电场作用而急剧减速,运动方向改变,其部分或全部动能以光子形式辐射出来,形成连续能谱的电磁辐射,称为韧致辐射。轫致辐射轫致辐射X射线在放射安全实践中的重要性4.契伦科夫辐射CelenkovRadiation 高能电子通过折射率较大的透明介质时(n1)若其速度大于光在该介质中的相速度,在粒子经过之处,将沿一定方向发出接近紫外线波长范围的微弱可见光,这种辐射为契伦科夫辐射。5湮没辐射AnnihilationRadiation粒子通过物质时,其动能完全消失后,可与物质中的自由电子结合而转化为一对发射方向相反,能
10、量相同,均为0.511MeV 的光子,这种现象称为湮没辐射。粒子与生物物质的相互作用:外部沉积 辐射没有外照射危害 在组织中的最大射程 0.1 mm 所有粒子都在角质层被吸收粒子与生物物质的相互作用:内沉积 主要的危险是食入和吸入辐射体粒子与活性物质的相互作用 I I I I I 0.0010.010.1110100细胞核细胞直径100个细胞直径俄歇电子5.3MeValpha0.15MeVbeta1.7MeVbetammbetaalpha二、射线与物质的相互作用1.光电效应 光子与物质相互作用时,可将能量全部交给核外电子(主要为K层电子),光子本身消失。核外电子获得光子能量后脱离原子,形成高能
11、电子(光电子)。这一过程称为光电效应。发射出的光电子的原子因电子层出现电子空位而处于激发态,转为基态时可以发出特征性X射线(标识X线)。特征 X 射线射线相互作用:光电效应入射光子射出的光电子原子核2康普顿效应 当光子能量远大于壳层电子的结合能时,光子可以和原子中的一个壳层电子发生弹性碰撞,将部分能量传给电子,使电子以一定角度逸出,其余能量被散射的光子带走,光子能量减少,运动方向改变,该电子称康普顿电子,二次电子,反冲电子。康普顿电子可引起次级电离。康普顿电子是连续能谱,可用它模拟-能谱。射线相互作用:康普顿散射入射光子低能的散射光子,散射角射出康普顿反冲电子3 电子对生成 当光子的能量1.0
12、2MeV时,通过物质时,在核及电子库仑电场作用下,可以转化成为具有一定能量的一个正电子和一个负电子,即电子对。电子对中的正电子在物质中不能长期存在,当它逐渐失去动能后,就与一个负电子结合,转化成一对能量相同,0.511MeV,方向相反的光子,称为电子对湮没。电子对产生X 射线 与 射线的区别辐射穿透本领几种辐射的穿透力l Alpha particles are easy to stop,gamma rays are hard to stop.三种射线的基本能量特征 1兆电子伏在空气中射程 阻挡物 吸收效果 射线 1.0厘米 一张普通纸 完全射线 10米 有机玻璃板 产生轫致辐射射线 千米 铅
13、不能被完全吸收第二部分 放射卫生防护基础 核射线在医学上得到了广泛的应用,核射线的应用已成为医学生物学现代化的重要标志,但核射线所引起的电离辐射,对人类兼有利弊的双重性。防止有害的电离辐射的生物效应,一直是医学研究的重大课题。随着人们对电离辐射生物效应认识的逐步深化放射卫生防护标准也在不断随之变化和完善。一、电离辐射的生物效应能使其所通过的任何介质的原子产生电离的一类辐射,称为电离辐射。核射线就是一种常见的电离辐射。电离辐射的生物效应则是指电离辐射能量传递给生物机体后所引起的机体的变化和反应。1、发生机制:电离辐射生物效应的发生一般认为需经历若干性质不同而又相互联系的阶段,即物理阶段、物理化学
14、阶段、化学阶段和生物学阶段。其中前三个阶段又称电离辐射的原发作用过程,可在极短的时间内完成。而后一阶段又称电离辐射的继发作用过程。可延续至数天、数月、数年甚至更长的时间。原发生物过程:物理阶段 物理化学阶段 化学阶段 在此阶段,射线通过直接作用、间接作用两种方式将能量传递给生物大分子,从而造成生物大分子的损伤。单链断裂:DNA损伤(分子水平)双链断裂:双链断裂:错误修复错误修复C可以实现无差错可以实现无差错 修复修复继发作用过程:生物学阶段 在生物大分子损失的基础上,细胞代谢发生改变,功能、结构发生破坏,从而导致组织和器官的一系列病理改变。细胞死亡间期死亡间期死亡增殖死亡增殖死亡增殖死亡增殖死
15、亡间期死亡间期死亡增殖死亡增殖死亡间期死亡间期死亡间期死亡间期死亡功能障碍 功能障碍结构改变 结构改变增殖死亡增殖死亡细胞凋亡(apoptosis)变异细胞的程序性死亡(programmed death)镜下表现:胞核浓缩、断裂 凋亡小体 机理:P53基因 激活自我致死程序是变异细胞免于患癌的重要机制细胞水平损伤细胞变异(modification)异常细胞克隆细胞转化 细胞转化癌症transformationcancer变异 变异分子水平细胞死亡细胞变异体细胞生殖细胞体细胞生殖细胞功能障碍不孕肿瘤遗传效应确定性效应多细胞死亡导致随机性效应单一细胞变异导致DNA损伤细胞水平临床症状效应生物效应产
16、生的过程和机理放射生物效应在时间上的显示时标几分之一秒几秒几分几小时几天几星期几个月几年几十年几代效应能量吸收生物分子变化(DNA,膜)生物修复细胞变化信息细胞死亡器官死亡 临床变化突变发生在生殖细胞 体细胞 白血病和癌 遗传效应 2.电离辐射接触机会1.核工业系统 放射物质的开采、冶炼和加工,以及核反应堆的建立和运转2.射线发生器的生产和使用 加速器、X射线和射线的医用和工农业生产用辐射源3.天然放射性核素伴生或共生矿生产 磷肥、稀土矿、钨矿等开采和加工医用直线加速器 3.电离辐射的作用方式 外照射 内照射 external exposure:位于人体之外的辐射源(radiation sou
17、rce)对人体造成的辐射照射。特点:脱离或远离辐射源,辐射作用即停止;当辐射源距离人体有足够远的距离时,可造成对人体较均匀的全身照射;辐射源靠近人体,则主要造成局部照射。internal exposure:放射性核素进入人体造成的辐射照射。源器官(source organ):辐射源沉积的器官。靶器官:受到从源器官发出的辐射照射的器官。特点:内照射对机体的辐射作用,一直要持续到放射性核素排出体外,或经10个半衰期以上的蜕变,才可忽略不计。体表沾染:内、外照射复合照射:放射复合烧伤、放射复合创伤。指放射性核素沾染于人体表面(皮肤或粘膜)。体表可以是完整的,也可以是有创伤的。沾染的放射性核素对受沾染
18、的局部构成外照射源,还可以经过体表吸收进入血液而构成内照射。指上述一种以上作用方式作用于人体,也可以是一种或一种以上上述作用方式与其他类型非放射性损伤复合作用于人体,如放射复合烧伤、放射复合创伤 等。4.电离辐射损伤效应:依据效应 依据效应-剂量关系分类 剂量关系分类随机效应(stochastic effect)是指正常细胞因电离辐射事件产生的变化所引起的生物效应。其发生概率随受照剂量的增加而增大,剂量愈大,随机效应的发生概率愈高,即使照射量很小,也会发生。不存在剂量阈值。致癌效应 不适当的照射是诱发肿瘤的因素之一。遗传效应 对受照者的后代所产生的随机效应。受照者生殖细胞的遗传物质受控基因突变
19、,染色体畸形,导致流产,死胎,畸形及某些遗传病,可表现为后几个子代的隐性突变。非随机效应 也称确定性效应指生物效应产生的严重程度随剂量变化而变化的效应。有剂量阈值,在剂量阈值下,不会引起非随机效应,超过阈值,则效应的严重程度随剂量增大而增加。如不育、白内障、造血机能低下等均属确定性效应 电离辐射所致生物效应的分类 随机性效应(stochastic effects)依据效应-剂量关系分类4有剂量阈值4效应的严重程度与剂量成正比4发生几率与剂量成正比4严重程度与剂量无关4无剂量阈值确定性效应(deterministic effects)确定性效应与随机性效应剂量剂量剂量剂量几几率率严严重重程程度度
20、阈值阈值随机性效应随机性效应确定性效应确定性效应按效应发生的个体分类:躯体效应和遗传效应。躯体效应 A 急性效应 如急性放射病,多发生在核事故核战争中,短时间、一次多次、大剂量引起的全身性疾病 造血型当照射剂量10Gy时,胃肠上皮组织严重受损,生物屏障遭受破坏。脑型高剂量数10Gy时,脑损伤严重,照后一天死于惊厥,休克。急性放射综合症(ARS)是电离辐射最明显确定性效应是电离辐射最明显确定性效应,具有高集体性特征,具有高集体性特征,在受到照射几小时到几个星期的各个阶段出现联合在受到照射几小时到几个星期的各个阶段出现联合症状症状-前驱期前驱期-隐藏期隐藏期-发病期发病期-恢复期恢复期(或死亡或死
21、亡)症状的范围和严重程度症状的范围和严重程度决定于决定于:-接受的总剂量接受的总剂量-剂量如何快速传输剂量如何快速传输(剂量率剂量率)-剂量在身体上如何分布剂量在身体上如何分布(全身全身 vsvs 部分受照部分受照)B 慢性放射病 机体在较长时间内受到超过剂量限制的电离辐射作用引起的全身慢性损伤。主要表现:神经紊乱症候群,性功能低下,造血功能下降,出血倾向。C.局部效应 皮肤急性放射损伤,慢性损伤,晶体混浊形成白内障。胚胎效应 损伤的表现取决于受照时胚胎所处的发展阶段。植入前受精卵受照可致胚胎死亡,器官形成期受照可引起畸形发育障碍。一般认为,妊娠早期胎儿对射线的敏感度最高。5.医学应用的事故:
22、诊断X射线事故,例如介入放射学的病人过量过量照射引起的皮肤确定性效应 英国规定放射治疗整个疗程中患者接受的辐射剂量超过处方剂量的10%,或任意分割照射超过处方剂量的20%,必须通告该照射事件;美国将放射治疗事故分为A、B两类,A类为超过处方总剂量25%的事件,B类超过处方总剂量5%25%和绝大多数照射不足的情形。但当剂量低于处方总剂量25%时,如果没有及时发现,由于已处在疾病晚期,无法采取补救措施,也划为A类。核医学事故发生较多,但公开报道的比较少。放射事故的主要类型:涉及群组A.工作期间的事故 工人放射性照相术辐照器(密封源或加速器)B.由于放射源失控导致的事故 公众照射放射治疗孤儿放射源C
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